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COBENGE 2016 XLIV CONGRESSO BRASILEIRO DE EDUCAÇÃO EM ENGENHARIA

27 a 30 de setembro de 2016 UFRN / ABENGE

TREINAMENTO DE ATIVIDADES CRÍTICAS EM AMBIENTES

VIRTUAIS 3D Alexandre P. de Faria – [email protected] UNIBRASIL, Escola de Engenharias Rua Konrad Adenauer, 442 Tarumã 82821020 – Curitiba – PR UFPR, PPGMNE Centro Politécnico da UFPR Jardim das Américas 81531980 – Curitiba – PR Ricardo C. R. Santos – [email protected] UFPR, PPGMNE Centro Politécnico da UFPR Jardim das Américas 81531980 – Curitiba – PR Klaus de Geus – [email protected] COPEL Geração e Distribuição SA Rua Coronel Dulcídio, 800 − Batel 80420170 − Curitiba − PR UFPR, PPGMNE Centro Politécnico da UFPR Jardim das Américas 81531980 – Curitiba – PR Resumo: Em atividades críticas, que colocam em risco a integridade física do trabalhador, programas de treinamento são fundamentais. Ambientes virtuais de treinamento têm se constituído como uma ferramenta complementar na formação do trabalhador proporcionando a realização de exercícios com o mínimo de investimento de tempo, material e esforço necessário. Adicionalmente esta modalidade de treinamento permite a simulação de cenários extremos de forma segura que podem ser repetidos e adequados aos objetivos do treinamento e às necessidades do treinando. Para maximizar fatores que influenciam na aprendizagem, como imersão e interatividade, o sistema deve ser implementado utilizando tecnologias de realidade virtual e conciliando recursos de software e hardware. Neste artigo são discutidas questões acerca da aprendizagem dos treinandos que têm impacto na eficiência do treinamento de eletricistas em atividades de manutenção de subestações por meio de simuladores 3D imersivos. A premissa fundamental é que o processo de avaliação



seja realizado concomitante à sessão treinamento e não em apenas ao seu término. Dessa forma, necessitase de um método de avaliação em tempo real que disponibilize ferramentas para que instrutor e treinando possam interagir seja visualizando a performance, seja corrigindo procedimentos com o objetivo de maximizar a aprendizagem dentro do contexto didático de um jogo sério. Palavraschave: Realidade Virtual, Jogos Sérios, Avaliação, Aprendizagem.

1. INTRODUÇÃO O treinamento de mão de obra para a execução de atividades de manutenção em linha

viva em subestações elétricas deve ser feito de forma rigorosa, de forma a evitar que sejam dispendidos recursos desnecessários, as tarefas sejam realizadas de maneira eficiente e as vidas dos trabalhadores não sejam colocadas em risco. Para garantir que os riscos sejam minimizados, é necessário também que o ambiente de treinamento seja elaborado de forma a permitir que os treinandos possam experimentar e buscar avanços para o estado da arte das atividades de manutenção. Em algumas situações, entretanto, é impraticável utilizar plantas operacionais para o treinamento em casos de tragédias e de destruição da planta, por exemplo. Esse tipo de treinamento é crítico, uma vez que raramente acontecem e pequenos erros podem ter um impactos severos. Para mitigar esses problemas, utilizamse jogos sérios com vistas à elaboração de simulações imersivas para o treinamento de trabalhadores em atividades críticas.

Um dos desafios que permanece é a verificação que o treinando realmente reteve o conhecimento que se esperava. Em alguns casos, a avaliação é implementada como um exame realizado após a simulação, ou seja, depois que o treinando já se relacionou com o sistema de treinamento e realizou as tarefas esperadas. Essa forma de avaliação pode não surtir os resultados esperados dado que o treinando pode não responder de acordo com o treinamento realizado. Para evitar esse erro de avaliação, o próprio sistema deveria realizar a avaliação durante o treinamento.

2. TREINAMENTO EM SUBESTAÇÕES ELÉTRICAS As atividades de manutenção em subestações elétricas se caracterizam por seu alto

grau de periculosidade trazendo risco à vida dos trabalhadores que atuam no setor elétrico. Os acidentes aos quais estes trabalhadores estão expostos tem causas diversas, como quedas ou descargas de origem elétrica, e decorrem de métodos ou procedimentos arriscados. Tal fato torna evidente a importância dos programas de treinamento que abordem práticas reflexivas sobre o trabalho e desenvolvam no treinando a capacidade de avaliação sobre os riscos e meios para o planejamento seguro de sua ação (FUNCOGE, 2014).

A norma regulamentadora 10, NR 10, fornece os requisitos e condições mínimas para a implementação de medidas e sistemas de prevenção que garantam a segurança e a saúde dos



trabalhadores que estão expostos ao risco elétrico. Esta norma exige que os trabalhadores tenham acesso a treinamentos com carga horária e currículos mínimos que incluam a introdução à segurança com eletricidade, técnicas de análise e medidas de risco elétrico, utilização de equipamentos de proteção individual (EPI) e coletivo (EPC), organização e procedimentos de trabalho e técnicas de primeiros socorros. A reciclagem por meio de treinamentos adicionais é obrigatória e se revela de fundamental importância diante de cenários que fogem aos procedimentos padrão como, por exemplo, no caso de implementação de inovações tecnologias (BRASIL, 2004).

2.1. Treinamento: avaliação da aprendizagem As condições para se alcançar a excelência em um treinamento estão fundamentadas

na norma NBR ISO 10015. Conforme esta norma para que o treinamento cumpra seu objetivo de fornecer as competências necessárias ao treinando quatro etapas devem ser monitoradas pelos gerentes responsáveis(ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2001): definição das necessidades do treinamento, projeto e planejamento do treinamento, execução do treinamento, avaliação dos resultados do treinamento.

Na avaliação dos resultados do treinamento devemse estabelecer critérios e métodos de avaliação com base em insumos presentes nas especificações das necessidades e do programa de treinamento. O processo de coleta e análise de dados e interpretação dos resultados fornecem o conhecimento necessário para uma análise do treinamento e recomendação de melhorias.

Um dos objetivos da avaliação dos resultados do treinamento é medir a aquisição de conhecimentos, habilidades e comportamento do treinando. Para tanto, ainda na execução do treinamento, devese informar previamente ao treinando qual a natureza do treinamento assim como quais as lacunas de competência se pretende eliminar. Durante o treinamento, a interação entre o instrutor responsável e o treinando pode se caracterizar por meio de troca de informações e pelo retorno do desempenho acerca da atividade em execução. Nossa interpretação é que estas práticas podem ser reforçadas por meio de uma concepção pedagógica centrada mais no treinando do que na atividade em si.

O design centrado no usuário é uma técnica utilizada no projeto de interfaces de usuário e já bem aceita pela bibliografia de interface humanomáquina. A teoria de desenvolvimento de jogos, conforme (FULLERTON, 2008) e (SCHELL, 2008), deve seguir um processo com o mesmo intuito o de colocar o jogador no centro do processo de desenvolvimento do sistema. Para isso, é sugerida a abordagem denominada playcentric, em que o designer recorre a protótipos confeccionados com materiais simples e baratos para



testar regras e conceitos de jogo, com vistas a determinar o conjunto mínimo de regras e verificar as funcionalidades que se deseja implementar.

Para jogos sérios, há uma etapa anterior, em que o designer deve compilar todos os dados que devem ser transmitidos ao treinando – o chamado design instrucional (IUPPA; BORST, 2009) – e que fornecerá as bases para a criação de uma experiência de jogo em torno do conteúdo que se espera que o treinando domine ao final da interação com o sistema‒que pode ser um jogo, uma simulação ou um sistema de aprendizado sem as características de um jogo sério. A avaliação deve levar em consideração os conteúdos levantados na etapa de design instrucional. Essas condições devem estar presentes no sistema para apresentar a consistência necessária à utilização do sistema como uma forma de aprendizado.

2.2. Treinamento em Sistemas Virtuais: vantagens Os ambientes virtuais têm se configurado como uma importante ferramenta de

treinamento complementar em diversas áreas como manufatura (CHENG et al., 2010; MALMSKÖLD et al., 2012), saúde (GALLAGHERet al., 2005; KARUNASEKERA, 2011), militar (MAXWELL, 2015), instalação e manutenção de equipamentos, movimentação de cargas, substâncias perigosas (CAI et al., 2013; MÄÄTTÄ, 2003; MALLETT; UNGER, 2007) e operações de risco (MONEREAU; CONSULTING, 2015; XI et al., 2009) . Os ambientes virtuais baseados em técnicas de realidade virtual se caracterizam por simular o mundo real por meio do computador e permitir uma experiência de imersão utilizando métodos de interação diferentes como manipulação de objetos e resposta ao esforço físico por meio de dispositivos hápticos (GUPTAet al., 2008a). A experiência de imersão em ambientes virtuais 3D que combinam áudio e imagens realísticas e estereoscópicas, estímulos táteis e um sistema de rastreamento podem aumentar o sentimento de “presença”, ou seja, proporcionam ao usuário a sensação de que ele realmente está inserido no ambiente (GUPTA et al., 2008a; NUNEZ; BLAKE, 2001) e maximizam o seu engajamento as tarefas e objetivos do treinamento.

A utilização de ambientes virtuais de treinamento em atividades de risco apresentam uma série de vantagens em relação ao treinamento em ambientes reais, dentre as quais, destacamse os seguintes (GUPTA et al., 2008b; ROBSON et al., 2010):

pode ocorrer e ser repetido a qualquer tempo; não involve componentes reais, minimizando custos materiais e humanos; é seguro em relação aos riscos materiais, humanos e ambientais; novos procedimentos e tecnologias podem ser testados; pode ser customizado segundo o nível e objetivos de treinamento para cada usuário;



possibilita o registro, análise e compartilhamento do treinamento a partir de diferentes pontos de vistas em qualquer tempo e lugar.

A idealização de cenários de treinamento se revela uma vantagem adicional pois

colocam à prova condições limites que não poderiam ser experimentadas durante um treinamento em ambiente real. Nessas condições ações críticas podem ser planejadas de modo a reforçar boas práticas e atenção às normas de segurança de forma compartilhada(LOUPOS & PSONIS, 2008) As habilidades mobilizadas diante de tais cenários devem exigir a reflexão e o planejamento de soluções específicas de forma coordenada e evitando atitudes mecânicas que possam colocar em risco tanto a vida do operador ou outros membros da equipe quanto a integridade de equipamentos.

A eficácia do treinamento em ambientes virtuais está diretamente relacionada à aprendizagem (BAUER, 2005; BELLOTTI et al., 2013). Segundo Kariger (ALLet al., 2014; JIA et al., 2009) questões relativas aquisição de habilidades e mudanças de caráter cognitivo e afetivo são dimensões fundamentais para a avaliação do treinando. Dessa forma, temse percebido um esforço no sentido de caracterizar as formas, métodos, ferramentas e critérios para a avaliação em ambientes virtuais de treinamento (HAINEY et al., 2013; NETTOet al., 2012; WOOD et al., 2013). Diretrizes fundamentais para a elaboração da avaliação tem como base princípios gerais sobre o processo de avaliação como “feedback” ao treinando, envolvimento do treinando com sua aprendizagem e ajuste das tarefas aos objetivos do treinamento e às necessidades do treinando (BELLOTTI et al., 2013; HAINEY et al., 2013). 3. JOGOS SÉRIOS

O termo “Serious games”, ou jogos sérios é utilizado para descrever jogos que fogem do entretenimiento puro e simples e se tornam ferramentas instrucionais (VAN OOSTENDORP et al., 2014). Uma rápida consulta a plataforma colaborativa “http://serious.gameclassification.com” é suficiente para fornecer uma idéia da abrangência dos tipos e aplicações dos jogos sérios em várias áreas do conhecimento (DJAOUTI et al., 2011). Apesar de o desenvolvimento de um jogo digital sério ter suas particularidades, não foge das técnicas tradicionais de desenvolvimento de software (READ et al., 2013). Como descrito em (FULLERTON, 2008; GIBSON, 2015; IUPPA & BORST, 2009; SCHELL, 2008), a atividade de desenvolvimento de jogos deve sempre levar em consideração a interação com o jogador, com um método denominado playcentric (FULLERTON, 2008) – ou centrado na atividade de jogo, em uma tradução livre. Esta forma de elaboração leva em consideração primeiramente a experiência que se deseja passar para o jogador, com (SCHELL, 2008) inclusive afirmando que o jogo nada mais é que um meio para a criação e transmissão de uma experiência para o jogador. No contexto de jogos sérios, essa experiência

http://serious.gameclassification.com/



é a própria experiência de aprendizado. Isso faz com que o designer tenha que, antes de mais nada, descobrir qual o aprendizado que se espera que o treinando absorva. Como ferramenta para esse levantamento temse o design instrucional (IUPPA & BORST, 2009), que é a etapa em que se levanta os conhecimentos que devem ser transmitidos para os treinandos. Essa atividade pode não ser trivial dependendo do escopo do jogo sério que se deseja criar. O levantamento de conhecimentos pode ser desde uma consulta à literatura disponível com o conteúdo que deve ser transmitido até a entrevista de profissionais de referência a fim de absorver experiência prática explicitar conhecimento tácito.

3.1. Gêneros de jogos Jogos sérios podem ser classificados em gêneros, que podem influenciar a eficiência

de aprendizado (KHENISSI, 2016). É importante notar que métodos de avaliação são intrínsecos aos jogos digitais, uma vez que todo têm uma forma de marcar o progresso do jogador. Esse sistema é baseado nos desafios que o jogador deve ultrapassar para evoluir no jogo (THE GAME DESIGN FORUM, 2014). Esses sistemas podem ser dos mais primitivos, como uma mera contagem de itens ou obstáculos vencidos, ou mais sofisticados, como o registro de passos cumpridos para a realização de uma determinada tarefa. O método exato, entretanto, depende do gênero do jogo, já que observase que para um jogo de quebracabeças o sistema para contagem de pontos é diferente que para um jogo de mundo aberto. O gênero de jogo implementado define a forma de computar a pontuação. Porém, a avaliação de desempenho nos sistemas instrucionais deve seguir métodos mais formais que nos demais jogos (IUPPA & BORST, 2009). Para jogos sérios, entretanto, os objetivos do jogo coincidem com os objetivos da aprendizagem. Dessa forma, o score do jogador deve fornecer uma resultado intelegível acerca da aprendizagem e, por consequência, da eficiencia do treinamento (HAINEY et al., 2013).

3.2. A avaliação de tarefas e os sistemas de pontuação A avaliação do treinamento em ambientes virtuais deve ser objeto de cuidadosa

análise. Alguns sistemas realizam essa avaliação após o treinamento, com o foco em verificar o quanto o usuário reteve do conhecimento transmitido. Porém, como já é prática na indústria de jogos, a avaliação pode ser feita em tempo de execução do software, por meio de mecanismos que monitoram o estado do jogo e verificam o quanto esse estado se distancia do caso ideal (HAINEY et al., 2013). Esse sistema de avaliação, entretanto, tem que ser pensado em conjunto com o design do jogo. Levandose em consideração o sistema como um todo, uma vez que a avaliação não é mais algo a parte da simulação, e sim mais um componente do sistema ‒ que deve seguir o mesmo processo de elaboração que o adotado para o desenvolvimento do sistema como um todo: centrado no usuário, com foco nas tarefas a



serem treinadas e levando em consideração a arquitetura da interface e hardware implementados.

3.3. Avaliação em sistemas de realidade virtual para treinamento no setor elétrico com foco na segurança

O objetivo deste trabalho foi identificar métodos, procedimentos e ferramentas de avaliação da aprendizagem em ambientes virtuais de treinamento com foco na segurança. Os resultados aqui apresentados foram obtidos por meio de uma pesquisa bibliográfica preliminar para um projeto de criação de um ambiente virtual de treinamento para eletricistas que atuam na manutenção de subestações em linha viva. Dada a similaridades dos ambientes e manobras realizadas durante os procedimentos de manutenção o escopo da busca foi ampliado alcançando trabalhos sobre treinamentos em plantas industriais.

4. METODOLOGIA Para o levantamento bibliográfico foram selecionadas bases de trabalhos acadêmicos

com livre acesso como o Networked Digital Library of Theses and Dissertations (NDLTD), o Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal(RCAAP), o Worldcat e o Google Scholar. Os descritores para a busca incluíram palavraschave em inglês relativas ao tema da pesquisa com a utilização de operadores booleanos de disjunção, entre termos dentro da mesma categoria, e de conjunção, entre categorias diferentes. Desta forma foram recuperados predominantemente trabalhos em inglês, ou que tivessem o resumo traduzido para o inglês. Listamos as seguintes categorias e palavraschaves associadas: Avaliação: “evaluation” OR “assessment”; Aquisição de habilidades: “skill acquisition”; Aprendizagem ou treinamento: “learning” OR “ training”; Metodologia de avaliação: “assessment method” OR "assessment technique"; Segurança: “safety”; Setor elétrico ou Plantas industriais: “electrical sector” OR “power sector”; Realidade/Ambiente virtual: “virtual reality” OR “ virtual environment". Os seguintes critérios de exclusão se aplicaram aos trabalhos: Abordagem restrita a avaliação do sistema; Não apresentassem descrição sobre; a ferramenta, as métricas ou categorias de análise, os procedimentos de coleta e análise de dados.

Os resultados preliminares recuperaram 234 trabalhos, dentre os quais, após a aplicação dos critérios de exclusão foram préselecionados 86 trabalhos. De forma complementar novas buscas foram realizadas com base nas referências indicadas nos trabalhos selecionados. Deste conjunto foram selecionados 27 trabalhos que tratam tanto de procedimentos de manutenção quanto de segurança.

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO Conforme os objetivos da pesquisa foram mapeados as referências em relação a

forma, métodos e procedimentos para avaliação da aprendizagem em tempo real para ambientes virtuais de treinamento aplicado à manutenção com foco na segurança.



5.1. Formas de avaliação As formas de avaliação do treinamento tem sido apresentadas segundo duas

categorias principais: formativa, realizada durante a sessão de treinamento, e somativa, após o treinamento. Netto et al. (2007) apresentou estudo sobre as duas formas de avaliação em relação ao SimuLIHM e os critérios de avaliação implementados no sistema. Vale destacar o papel da avaliação formativa no processo de treinamento e seu impacto na aprendizagem por meio de sistemas de tutores inteligentes. A implicações acerca de avalições online são discutidas, por exemplo, em (MANCA et al.,2014; MADRZYCKI & SZCZEKALA, 2013; BURGESSLIMERICK & TICHON, 2009 ) reafirmando as vantagens de sistemas automáticos de avaliação que provêm ao treinando informações valiosas para um processo de avaliação consciente baseado em benchmarks que, segundo os autores, conferem neutralidade e confiabilidade ao processo. Sistemas inteligentes para avaliação online durante sessões de treinamento não representam uma novidade como verificouse por meio do artigo de Gerli et al. (1999) ou Moraes (2009) e, tanto nestes casos quanto em outras áreas (ALVAREZ & DJAOUTI, 2011; MORAES et al., 2009), as avalições em tempo real proporcionam o aumento da interação do treinando com o sistema incrementando o aprendizado.

5.2. Métricas O levantamento das necessidades do treinamento e, por consequência, do treinando se constitui uma etapa fundamental para se alcançar a excelência no treinamento (ABNT, 2001). Este levantamento é baseado nas tarefas a serem realizadas durante o treinamento e, no caso do treinamento de eletricistas, conforme Neitzel (2006), envolve a análise da atividade/tarefa e a análise do risco. Segundo o autor as seguintes etapas sumarizam a condução da análise da atividade/tarefa:

Revisão de procedimentos e normas Descrição da atividade Identificação e organização das tarefas Seleção e detalhamento das tarefas

A análise de risco deve prover informações e orientações no sentido de prevenir ou minimizar os acidentes no ambiente de trabalho(ZHAO & LUCAS, 2014; MÄÄTTÄ, 2003; NETTO et al., 2007). Neitzel (2006) sumariza as seguintes etapas para a realização da análise de risco:

Seleção das atividades ou tarefas para análise em relação as condições que favorecem acidentes e frequência com que estas atividades ou tarefas são realizadas

Dividir as tarefas em subtarefas, verificar as condições sob as quais serão executadas e elaborar um check list



Identificar os riscos presentes em cada subtarefa, assim como sua origem e procedimentos e equipamentos de segurança necessários

A subdivisão das tarefas permite hierarquizar cada etapa cumprida segundo sua importância no processo de treinamento e funciona como uma base para a criação de um sistema de score. As métricas que são criadas em relação a performance do treinando podem ser categorizadas conforme o nível do treinando e os objetivos do treinamento. Enquanto Neitzel (2006) classifica cada performance segundo a dificuldade da performance e aprendizagem ou a frequência e o tempo despendido na execução da tarefa, Netto et al. (2012) explora diversas categorias baseadas nos tipos erros durante a operação de reernergisar uma subestação. De qualquer forma, um sistema de score deve ser calibrado por meio da atribuição de pesos que qualifiquem a performance do treinando apontando erros e acertos nos procedimentos realizados. Para a calibragem do sistema é imprescindível a participação de “experts” responsáveis pela geração de “benchmarks” (NAZIR et al., 2014; LUCAS, 2008). Estas considerações tem mostrado que a criação de um ambiente virtual de treinamento implica num trabalho concatenado entre o “design” do jogo e os objetivos instrucionais (LUKEY & CAMERON, 2011) sem perder de vista a exequibilidade do sistema em termos de sua funcionalidade e custo computacional (GUPTA et al., 2008a; MÄÄTTÄ, 2003; MENDES et al., 2015).

5.3. Ferramentas de coleta e análise de dados

Os problemas associados a implementação de uma avaliação em tempo real podem ser colocados em termos da estruturação de um banco de dados que contenham as informações do treinamento e a implementação de ferramentas de coleta e análise desses dados. Para a coleta de dados o sistema deve prever uma intergração entre o modulo simulador e o módulo de avaliação com descrito em (ADEMARet al., 2014; LOHet al., 2007; LOUPOS & PSONIS, 2008; MADERERet al. 2013). Métodos estatísticos têm sido utilizados para a análise dos dados provendo aos usuários do sistema, tutor e treinando, parâmetros de comparação entre a performance realizada e as “benchmarks” que indicam uma performance ótima (DJAOUTI et al., 2011; LOUPOS; PSONIS, 2008; MANCA et al., 2014). As interações do treinando com o sistema devem ser rastreadas e avaliadas com base em técnicas de inteligência artifical como árvores de decisão, maquinas de estado finito e redes bayesianas (MADERER et al. 2013). Embora distantes das aplicações na área de manutenção e segurança destacamos os estudos realizados no Laboratório de Tecnologias para o Ensino Virtual e Estatítica (LabTEVE) da Universidade Federal da Paraíb (FERREIRA et al., 2015; MORAES et al, 2009; MORAES & MACHADO, 2007; MORAES & MACHADO, 2009) que têm investigado a utilização de redes bayesianas no processo de avaliação em ambientes virtuais de treinamento. Embora estes estudos tenham sido realizados para uma aplicação desktop os resultados



comparativos entre modelos bayesianos se mostraram promissores tanto em relação a acurácia quanto em relação ao tempo de processamento dos resultados.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS O

Agradecimentos

Este trabalho foi desenvolvido dentro do contexto de um projeto de pesquisa filiado ao programa de Pesquisa e Desenvolvimento da Agencia Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) e executado pela COPEL, Institutos LACTEC e UFPR.

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SAFETY TRAINING LEARNING ASSESSMENT IN VIRTUAL 3D ENVIRONMENT

Abstract: For critical activities, which offer high accident risk, training is of utmost importance, in order to enable workers to perform the needed tasks with minimum risk, maximum quality and minimum material wasting while preserving human lives and avoiding injury. The manner in which the trainment is performed, however, poses a challenge by itself, as it is nearly or effectively impossible to simulate all possible situations. To assure the quality of such trainings, an immersive virtual 3D environment is proposed for the purpose of training electricians in substation training activities. In order to attest for maximum immersion, the system must use virtual reality technology and every hardware and technique

http://thegamedesignforum.com/features/RD_SMW_1.html



available to create a highly immersive system. It is necessary, to attest as of the trainment effectiveness, the evaluation of the trainment is vital. And to keep the evaluation as accurate as possible, it is necessary to perform it in conjunction with the trainment. However, for this to be accomplished, it is necessary to create both a system for performing real time evaluation and tools for the trainer to visualize and to infer the general result of the trainment. Keywords: Virtual Reality, Serious games, Evaluation, Learning

treinamento de atividades crÍticas em ambientes … · exemplo. esse tipo de treinamento é...

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